中心議題：

• 電池管理的常見難題
• 精確測量的重要性

解決方案：

• 電流測量：電量計精度的基礎
• 電流測量的度偏移
• 電流測量：電量計精度的基

鋰離子電池由於擁有能量密度高、電壓高
、自放電率低
，以及無記憶效應等優勢，因而逐漸成為使用充電電池的便攜應用產品的常用技術。

電池管理的常見難題

zaixuanzelilizidianchishi
，bixuduizhiyuyizhengqueguanli，yishixiananquangongzuo
，binghuodemeixunhuanzhouqizuigaoronglianghezuichangshouming
，ertongchangcaiyongdefangfajiushijiarudianchiguanlidanyuan(BMU)。要實現安全工作，BMU就必須能夠確保電池單元在電壓
、溫wen度du和he電dian流liu方fang麵mian經jing常chang處chu於yu其qi生sheng產chan規gui格ge之zhi內nei。這zhe意yi味wei著zhe在zai設she計ji電dian池chi管guan理li係xi統tong時shi，必bi須xu能neng夠gou考kao慮lv到dao最zui壞huai條tiao件jian。以yi充chong電dian端duan電dian壓ya為wei例li
，標biao準zhun筆bi記ji本ben電dian池chi的de建jian議yi單dan元yuan電dian壓ya為wei4.25V以下。

為保持單元電壓不超過上限，一般都會建議先取得BMU中的電壓測量標準偏差，並用充電端電壓減去4倍的標準偏差值。例如
，若BMU測得該電壓為4.25V，而標準偏差為12.5mV
，則立即指示在4.2Vchutingzhichongdian。raner
，zhejiuyuhuodedianchidanyuanzuidarongliangdemudezhijiechongtu。yinweichongdiandianyayuegao，rongliangyejiuyueda。tongyang，dangdianchichaochutuijiandechongdianjiezhidianya(EOCV)和放電截止電壓(EODV)時，電池的磨損最大

，所以要延長電池壽命，就需要盡量避免過高的充電電壓和過低的放電電壓。

精確測量的重要性

精確的電壓測量精度能夠定義電池所需的EOCV和EODV安全裕度(safetymargin)。測量越精確，保持在推薦限值之內所需的安全裕度越小。於是，電壓測量越精確，充電和放電就越能夠接近推薦的EOCV和EODV值，而無須犧牲安全性
，也不需冒著電池容量過早衰減的風險。所以，電荷流的測量精度對保證電荷計算精度來說也是十分關鍵的。

必須考慮到溫度偏移

在固定溫度下獲得良好的測量精度並不困難，若在裝配電池組時已對BMU進行了校準便更容易。但實際情況中，電池組通常都會經受各種溫度變化
，所以溫度漂移是區分真正高性能BMU和普通BMU的關鍵參數。

在溫度變化時實現高電壓測量精度的關鍵參數是ADC增益漂移(gaindrift)和基準電壓漂移(voltagereferencedrift)。對於4200mV的電壓，電壓測量值偏移量一般小於3μV
，在實際設計中，這是可忽略不計的。

要精確測量電荷流(chargeflow)，還要考慮到眾多其他參數
，以盡可能地減小感測電阻上的電壓降。校準後的ADC偏移量、ADC零點漂移、ADC增益漂移、基準電壓漂移和時基漂移
，都對精度有著重大影響。對於小電流來說
，與偏移量有關的參數最重要；而在電流較大的情況下，增益誤差
、基準電壓和時基則開始成為主要影響因素。

溫(wen)度(du)偏(pian)移(yi)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)對(dui)若(ruo)幹(gan)個(ge)溫(wen)度(du)點(dian)進(jin)行(xing)校(xiao)準(zhun)來(lai)做(zuo)出(chu)一(yi)定(ding)程(cheng)度(du)上(shang)補(bu)償(chang)，不(bu)過(guo)這(zhe)種(zhong)方(fang)案(an)成(cheng)本(ben)高(gao)昂(ang)，通(tong)常(chang)不(bu)為(wei)大(da)多(duo)數(shu)電(dian)池(chi)組(zu)生(sheng)產(chan)商(shang)采(cai)納(na)。因(yin)此(ci)
，一(yi)個(ge)好(hao)的(de)BMU必須具有最小的溫度偏移，而且電池組設計人員必須考慮到BMU的最壞變化情況

，以確保設計的安全性。
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電流測量：電量計精度的基礎

要實現良好的鋰離子電池電量計
，最有效方法是精確跟蹤電池內外的電荷流。在一定程度上，可利用適當的電壓測量來補償因開路電壓(OCV)和充電狀態(SoC)之間因恒定關係引起的電荷流誤差。一些最先進的鋰離子電池具有非常平坦的電壓特性
，這使得利用OCV測量來校正電流測量誤差更加困難。而隻要電壓測量有一點小小誤差，就可能導致SoC計算的重大偏差。所以，隻有確保出色的電流測量和精確的時基才能獲得最佳精度。

圖1采用標準偏移校準方法進行校準之後的典型偏移量

如上所述，在小電流的情況下，造成電流測量誤差的最大原因是電流測量ADC中zhong的de偏pian移yi量liang，而er目mu前qian已yi經jing有you好hao幾ji種zhong技ji術shu可ke減jian小xiao這zhe種zhong偏pian移yi量liang。其qi中zhong，最zui常chang用yong的de技ji術shu是shi在zai受shou控kong環huan境jing中zhong對dui偏pian移yi量liang進jin行xing測ce量liang，然ran後hou在zai每mei一yi次ci的de測ce量liang值zhi中zhong都dou減jian去qu該gai偏pian移yi量liang。但dan這zhe種zhong方fang法fa有you一yi個ge弱ruo點dian，就jiu是shi沒mei有you考kao慮lv到dao偏pian移yi量liang的de漂piao移yi。圖tu1顯示了把該技術用於一定數量的部件之後的殘餘偏移量。愛特梅爾的電池管理單元采用的是一種更好的方法，而ATmega16HVA所通過周期性改變電流測量的極性來抵償偏移量就是一例。

雖然利用這方法仍會殘餘極小但恒定的偏移量
，不過

，這個很小的殘餘偏移量隻需在保護FET開路之前進行測量
，並通過電池組提供一個已知電流，就可以除去。如圖2所示，利用這種方法可以顯著減小偏移量
，而愛特梅爾BMU中(zhong)偏(pian)移(yi)量(liang)漂(piao)移(yi)引(yin)起(qi)的(de)殘(can)餘(yu)誤(wu)差(cha)更(geng)低(di)於(yu)量(liang)子(zi)化(hua)級(ji)。消(xiao)除(chu)偏(pian)移(yi)量(liang)的(de)好(hao)處(chu)在(zai)於(yu)能(neng)夠(gou)精(jing)確(que)測(ce)量(liang)很(hen)小(xiao)的(de)電(dian)流(liu)，而(er)對(dui)於(yu)偏(pian)移(yi)量(liang)大(da)的(de)器(qi)件(jian)，就(jiu)得(de)在(zai)某(mou)一(yi)點(dian)上(shang)停(ting)止(zhi)電(dian)流(liu)測(ce)量(liang)，轉(zhuan)而(er)開(kai)始(shi)預(yu)測(ce)電(dian)流(liu)。有(you)些(xie)BMU采用5mΩ的感測電阻，提供高達100mA的鎖定零區或死區。以筆記本電腦為例，這可是很可觀的電流量，足以保持某個工作模式非常長的時間了。


圖2使用愛特梅爾的偏移消除技術之後的殘餘偏移量
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精確測量小電流

對於給定大小的感測電阻，電流測量ADC的偏移誤差每每限製了其能夠測量的最小電流級，致使在低感測電阻值和所需死區(這裏因為電流級太低
，無法集聚電荷流)zhijianbixujinxingdafuzhezhong。zuijin


，daduoshushebeizhizaoshangdouzaixunzhaojiangdihaodianliang，bingjinkenengbaochidigonghaomoshidefangfa，shiquebaoxiaodianliuhuodejingqueceliangdejishubiandeyufazhongyao。
　　
電流測量的度偏移

要精確測量μVshuliangjidianyabenshenjiupojutiaozhanxing
，erzaixinpianjingshouwendubianhuashishixianjingquecelianggengshikunnan，yinweijishishiyibuzhuyaozaishineigongzuodebijibendiannao，haishihuijingliwendubianhua。liru，zaidianchijunhengguanliqijian
，BMU內部的一個FETyizuidagonglvxiaohaodianchidenengliang，zhishixinpianwendudafushangsheng。yupianyiyouguandexuduocanshudouyoujiaodadewendupianyi，ruguobuxiaochuzhexiexiaoying
，jiangyingxiangdaoceliangjingdu。aitemeierdepianyixiaozhunfangfayihuozhengmingzaikaolvdaowenduxiaoyingshiyefeichangyouxiao。rutu2所示，溫度效應被完全消除
，從而確保偏移不再對測量精度造成影響。
　　
帶隙基準電壓的特性及其對電壓測量的影響

daixijizhundianyashihuodegaojingdujieguodeguanjianyinsu。laizigujianyuqizhideshijijizhundianyazhipianchahuizhuanhuaweiceliangjieguodezengyiwucha
，erzaidaduoshuqingkuangxia，zheshidianchidianyacelianghedadianliuceliangzhongzuizhuyaodewuchayuan。

標準帶隙基準電壓是由一個與絕對溫度成正比(PTAT)的電流和一個與絕對溫度成互補關係(CTAT)的de電dian流liu兩liang部bu分fen相xiang加jia組zu成cheng
，可ke提ti供gong不bu受shou溫wen度du變bian化hua影ying響xiang而er且qie相xiang對dui穩wen定ding的de電dian流liu。這zhe個ge電dian流liu流liu經jing電dian阻zu，形xing成cheng不bu受shou溫wen度du變bian化hua影ying響xiang而er且qie相xiang對dui恒heng定ding的de電dian壓ya。不bu過guo，由you於yuCTAT的形狀是曲線，而PTAT是線性的，所以得到的電壓-溫度關係圖形也是曲線。


圖3無曲率補償的帶隙結果

帶隙基準源中的電流級存在一定的生產差異(productionvariation)，使得25℃時的基準額定值、曲率形狀和曲線最平坦部分的位置都會發生各種變化
，因此需要進行工廠校準，以盡量減小這種變化的影響
，圖3所示為一個未校準基準源帶來的變化實例。在-20～+85℃的溫度範圍內，最高差異為-0.9～0.20%。而圖3則顯示有兩個離群點的曲線跟大多數其他器件的曲線有相當大的差異。


圖4帶曲率補償的帶隙

BM器件中常用的標準帶隙基準源針對額定變化被校準，在25℃shidejingdujigao。raner，qulvxingzhuangheweizhibianhuadebuchangyexiangdangchangjian，zhejiuchanshengyuwendubianhuayouguandedafubianhua，shidezaigaohediwenshidianchidianyaceliangbugoujingque。ciwai，yebukenengjiancehexianshichuquxianxingzhuangxianzhubutongdeliqundian。
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新穎的基準電壓校準方法

weilezaigezhongwendubianhuaxiahuodegenghaodexingneng，aitemeierzengjialeyigeewaidejizhundianyaxiaozhunjizhi，yongyitiaojiedaixijizhunyuandewenduxishu。zhegexiaozhunbuzhoujiangtiaojiequlvdexingzhuangheweizhi
，bingxianzhugaishansuiwendubianhuadewendingxing，rutu4所示，在-20～+85℃溫度範圍內的最大變化是0.5%。注意第二個校準步驟可以檢測和顯示出具有截然不同的曲線形狀的離群點。


圖5包含溫度偏移的電壓測量精度

基於生產測試成本因素，一般情況下BM器(qi)件(jian)是(shi)不(bu)執(zhi)行(xing)第(di)二(er)個(ge)校(xiao)準(zhun)步(bu)驟(zhou)的(de)。因(yin)為(wei)行(xing)業(ye)規(gui)範(fan)是(shi)隻(zhi)在(zai)一(yi)個(ge)溫(wen)度(du)下(xia)測(ce)試(shi)封(feng)裝(zhuang)器(qi)件(jian)，而(er)第(di)二(er)次(ci)校(xiao)準(zhun)則(ze)需(xu)要(yao)在(zai)兩(liang)個(ge)溫(wen)度(du)下(xia)對(dui)封(feng)裝(zhuang)器(qi)件(jian)進(jin)行(xing)精(jing)確(que)的(de)模(mo)擬(ni)測(ce)試(shi)，所(suo)以(yi)加(jia)入(ru)具(ju)有(you)高(gao)模(mo)擬(ni)精(jing)度(du)要(yao)求(qiu)的(de)第(di)二(er)個(ge)測(ce)試(shi)步(bu)驟(zhou)通(tong)常(chang)都(dou)會(hui)大(da)幅(fu)度(du)增(zeng)加(jia)成(cheng)本(ben)。

aitemeierzekaifachuleyizhongxinyingdefangfa，nengyijinliangshaodeewaichengbenlaizhixingdiergeceshibuzhou。chuantongshang，dierbuceshixuyaogaojingduceliangshebeihefuzadejisuancaozuo。ciwai，duimeiyigedaiceqijian，diyibuceshideshujubixucunchu
，ranhouzaidierbuceshizhonghuifu。zhexieyaoqiudouhuitigaoceshichengben。aitemeierdezhuanyoujishuchongfenliyongBM單元本身具有的特性，把測試設備要求降至最低：通過精確的外部基準電壓，利用板上ADC來執行測量；利用CPU來執行必須的計算任務
；yijiliyongshancunlaicunchudiyibudeceliangshuju。yinci

，zhiyaoliyongchengbenfeichangdideceshishebeibiankeyihuodejingdujigaodejieguo。tongguozhezhongfangfa，aitemeierbiannenggouyijidideewaiceshichengbenlaitigongyejielingxiandexingneng。


圖6基於電流測量精度的電量計精度結果

帶溫度偏移的電壓測量精度

dangdianchidadaowanquanfangdianhuowanquanchongdianzhuangtaishi，dianyaceliangbianhuijuedingshenmeshihouguanduanyingyonghuotingzhiduidianchichongdian。yinweizuidahezuixiaodianchidianyadeanquankaoliangdoushibunengdazhekoude，guxuneizhiyigebaohudai(guardband)
，以yi確que保bao所suo有you情qing況kuang下xia都dou能neng安an全quan工gong作zuo。電dian壓ya測ce量liang精jing度du越yue高gao
，需xu要yao的de保bao護hu帶dai便bian越yue小xiao，實shi際ji電dian池chi容rong量liang的de利li用yong率lv也ye會hui越yue高gao。在zai給gei定ding的de電dian壓ya和he溫wen度du下xia
，電dian壓ya測ce量liang可ke被bei校xiao準zhun，而er該gai條tiao件jian下xia的de電dian壓ya測ce量liang誤wu差cha將jiang極ji小xiao。當dang考kao慮lv到dao溫wen度du偏pian移yi時shi
，測ce量liang誤wu差cha的de主zhu要yao來lai源yuan是shi基ji準zhun電dian壓ya漂piao移yi。圖tu5顯示了使用標準基準電壓相比曲率補償基準電壓所帶來的不確定性。如圖5所示，曲率補償可顯著提高精度。

要(yao)最(zui)大(da)限(xian)度(du)地(di)使(shi)用(yong)電(dian)池(chi)每(mei)次(ci)充(chong)電(dian)後(hou)的(de)能(neng)量(liang)，盡(jin)量(liang)延(yan)長(chang)電(dian)池(chi)組(zu)的(de)壽(shou)命(ming)，同(tong)時(shi)又(you)不(bu)犧(xi)牲(sheng)電(dian)池(chi)組(zu)的(de)安(an)全(quan)性(xing)，高(gao)的(de)測(ce)量(liang)精(jing)度(du)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。為(wei)了(le)避(bi)免(mian)增(zeng)加(jia)校(xiao)準(zhun)成(cheng)本(ben)
，BMU的固有精度必須盡可能地高。此外
，通過能夠充分利用MCU板上資源的靈活新穎的校準技術
，便可以最小成本實現良好的基準，消除溫度的影響。

圖6所示為32小時內，一個10Ah電池的放電周期，分別是3h/1.5A，7h/0.6A，以及22h/60mA。溫度變化為±10℃，使用的是5mΩ的感測電阻。采用帶普通校準方法的標準BMU，電荷積聚中的誤差大於400mAh
，在這個例子中相當於10Ah電池的4%以上。愛特梅爾的解決方案由於采用了整合有專有校準方法的靈活模擬設計，能夠大大提高精度。基於這些改進
，誤差可被降至20mAh以下，相當於0.2%。